Talstelsels
- Plaatswaarden
- binair 2k, octaal 8k, hex 16k
- Naar decimaal
- Σ dk·bk
- Vanuit decimaal
- deel door het grondtal en lees de resten van onder naar boven
- Hex ↔ binair
- één hexcijfer = 4 bits
- Two's complement
- inverteer de bits en tel 1 op
Digitale elektronica: samenvattingspakket
Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 6 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.
1Formules en methoden
Digitale logica: poorten, K-kaarten & flip-flops
- Basispoorten
- A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
- Booleaanse regels
- X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
- De Morgan
- (X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
- Volgorde van de Karnaugh-kaart
- 00, 01, 11, 10 (Gray code)
- Groep van 2ᵏ cellen
- verliest k variabelen
- 4-naar-1-multiplexer
- F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
- Flip-flops
- D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
- Tellers
- n-bits: 2ⁿ toestanden; mod-N: kleinste n met 2ⁿ ≥ N; fuit = fklok/N
- Ripple-teller
- fmax = 1/(n·tpd)
- Ring- en Johnson-tellers
- n en 2n toestanden
Methode
- Werk bij een schakeling van de ingangen naar de uitgang, één poort tegelijk, en schrijf de waarde op elke draad, of schrijf de uitdrukking op en vul de waarheidstabel in.
- Zet voor vereenvoudiging de enen (en de don’t-cares als X) in een Karnaugh-kaart met rijen en kolommen in Gray-code: 00, 01, 11, 10.
- Dek de enen met zo weinig en zo grote groepen van 1, 2, 4, 8 of 16 cellen als mogelijk, met terugloop om de randen; elke groep is één productterm van de variabelen die constant blijven. Groepeer de nullen voor de POS-vorm.
- Lees bij flip-flops en tellers de ingangen af op elke actieve klokflank, schrijf de toestand na elke flank op, en onthoud dat een n-bits teller na 2ⁿ toestanden terugloopt.
Data-acquisitie en bemonstering
- Nyquistcriterium
- fs > 2·fmax, fN = fs/2
- Aliasfrequentie
- fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
- Stapgrootte
- 1 LSB = VFSR/2ᴺ
- Kwantisatiefout (afronding)
- ±½ LSB
- Afkappende ADC-code
- D = ⌊Vin/LSB⌋
- Bits voor een resolutie r
- 2ᴺ ≥ span/r
- Ideale SQNR, volle-schaal sinus
- SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
- Datasnelheid
- kanalen × fs × N bit/s
- Gemultiplexte ADC
- fs = 1/(n·(tc + tset))
- UART
- Tb = 1/baud; 8N1 = 10 bits per byte; bytes/s = baud/bits per frame
- Baudrate-deler
- baud = fclk/(16·D)
Methode
- Schrijf op wat gegeven is: bemonsteringsfrequentie, signaalfrequenties, aantal bits, ingangsbereik, baudrate.
- Vergelijk bij bemonsteringsvragen elke frequentie met fs/2; een hogere frequentie verschijnt bij fa = |f − k·fs| met het dichtstbijzijnde veelvoud van fs.
- Bepaal bij resolutievragen 1 LSB = VFSR/2ᴺ, of de kleinste N met 2ᴺ ≥ bereik/resolutie.
- Tel bij datasnelheden en UART-verbindingen alles wat wordt verzonden: kanalen, samples per seconde, bits of hele bytes per sample, en de start-, pariteits- en stopbits van elk frame.
2Oefenopgaven
1.TalstelselsGemiddeld
Het 8-bits patroon 1101 0000 slaat een geheel getal met teken op in two's complement. Wat is de waarde N in decimaal?
1101 00008 bit
N =
2.TalstelselsMoeilijk
Een ongecomprimeerde afbeelding is 1280 × 720 pixels met 24 bits per pixel. Hoeveel geheugen M kost die, in KiB (1 KiB = 1024 bytes)?
1280 × 720 px24 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
3.Digitale logica: poorten, K-kaarten & flip-flopsGemiddeld
Een 4-naar-1-multiplexer heeft selectie-ingangen S₁ = A en S₀ = B, en data-ingangen gekoppeld aan I₀ = C′, I₁ = C, I₂ = C′, I₃ = 1. Voor hoeveel van de 8 combinaties van A, B en C is de uitgang F = 1? Bepaal N.
I₀ = C′I₁ = CI₂ = C′I₃ = 1
N =
4.Digitale logica: poorten, K-kaarten & flip-flopsMoeilijk
Een 4-bits schuifregister Q₃Q₂Q₁Q₀ bevat 0110. Bij elke klokflank schuiven de bits één plaats naar rechts (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀, Q₀ gaat verloren) en komt de seriële ingang in Q₃. De seriële ingang is 1, 1, 0, 1, 1 bij de 5 flanken. Geef de eindtoestand Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ als decimaal getal.
Q₃Q₂Q₁Q₀ = 01101, 1, 0, 1, 1
Q =
5.Data-acquisitie en bemonsteringGemiddeld
Een sinus van 9,25 kHz wordt zonder anti-aliasingfilter bemonsterd met 5 kHz. Bij welke frequentie fa verschijnt hij in de samples? Geef het antwoord in Hz.
f = 9,25 kHzfs = 5 kHz
fa = Hz
6.Data-acquisitie en bemonsteringMoeilijk
Een temperatuursensor geeft 20 mV/°C (0 V bij 0 °C). Zijn signaal wordt 20 keer versterkt en naar een 8-bits ADC met een bereik van 0 tot 2,5 V gevoerd (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Bepaal de temperatuurverandering ΔTLSB die overeenkomt met één LSB.
S = 20 mV/°CG = 20N = 8VFSR = 2,5 V
ΔTLSB = °C
3Oplossingen
1.Talstelsels
Antwoord: N = −48
Positionele talstelsels: elk cijfer is zijn waarde maal een macht van het grondtal waard. Binair zijn de posities 1, 2, 4, 8, 16, … waard, hexadecimaal 1, 16, 256, …, met A–F voor 10–15. In 8-bits two's complement is het meest linkse bit −128 waard in plaats van +128; zo worden negatieve getallen opgeslagen.
Plaatswaarden optellen
De andere bits houden hun gewone positieve waarde.
−128 + 64 + 16 = −48
Antwoord
N = −48
2.Talstelsels
Antwoord: M = 2700 KiB
Positionele talstelsels: elk cijfer is zijn waarde maal een macht van het grondtal waard. Binair zijn de posities 1, 2, 4, 8, 16, … waard, hexadecimaal 1, 16, 256, …, met A–F voor 10–15. In 8-bits two's complement is het meest linkse bit −128 waard in plaats van +128; zo worden negatieve getallen opgeslagen.
Bits en bytes
1280·720·24 = 22118400 bit = 2764800 B
Omrekenen naar KiB
2764800/1024 = 2700 KiB
Antwoord
M = 2700 KiB
3.Digitale logica: poorten, K-kaarten & flip-flops
Antwoord: N = 5
Multiplexer: een 2ⁿ-naar-1-multiplexer geeft één van zijn data-ingangen door aan de uitgang; de selectielijnen, gelezen als binair getal, kiezen welke. Voor een 4-naar-1-MUX met selecties S₁S₀ = AB is F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃. Door de data-ingangen aan 0, 1, C of C′ te koppelen, maakt de MUX elke functie van A, B en C, wat een veelgebruikte manier is om logica met één chip te bouwen.
Uitgangsuitdrukking
F = A′B′C′ + A′BC + AB′C′ + AB
Rijen met F = 1
ABC = 000, 011, 100, 110, 111
N = 5
Antwoord
N = 5
4.Digitale logica: poorten, K-kaarten & flip-flops
Antwoord: Q = 13
Flip-flops en tellers: een flip-flop verandert alleen op de actieve klokflank. D kopieert zijn ingang (Q⁺ = D); T wisselt als T = 1; JK houdt vast bij 00, reset bij 01, zet bij 10 en wisselt bij 11. Een n-bits binaire teller heeft 2ⁿ toestanden en telt modulo 2ⁿ; een mod-N-teller telt 0, 1, …, N − 1 en dan weer 0, en heeft de kleinste n met 2ⁿ ≥ N flip-flops nodig. Elke trap van een ripple-teller halveert de frequentie, dus de laatste uitgang van een mod-N-teller loopt op fklok/N. Een Johnson-teller van n flip-flops heeft 2n toestanden, een ringteller n.
Toestand na elke flank
0110 → 1011 → 1101 → 0110 → 1011 → 1101
Decimale waarde
1101₂ = 13
Antwoord
Q = 13
5.Data-acquisitie en bemonstering
Antwoord: fa = 750 Hz
Bemonstering: een ADC meet het signaal fs keer per seconde. Volgens het Nyquist–Shannon-theorema wordt een frequentie f alleen correct vastgelegd zolang f < fs/2, de Nyquistfrequentie (vouwfrequentie), dus de bemonsteringsfrequentie moet groter zijn dan twee keer de hoogste signaalfrequentie. Een hogere frequentie gaat niet verloren: ze verschijnt als alias bij fa = |f − k·fs|, met het hele getal k dat het resultaat tussen 0 en fs/2 brengt. De samples kunnen de twee niet uit elkaar houden, dus een analoog anti-aliasingfilter moet alles boven fs/2 verwijderen vóór de ADC.
Nyquistfrequentie
fs/2 = 2,5 kHz < f = 9,25 kHz
Dichtstbijzijnde veelvoud van de bemonsteringsfrequentie
k = round(9250/5000) = 2
Aliasfrequentie
fa = |9250 − 2·5000| = 750 Hz
Antwoord
fa = 750 Hz
De gestippelde kromme in de figuur is de alias: ze loopt door precies dezelfde samples.
6.Data-acquisitie en bemonstering
Antwoord: ΔTLSB = 0,02441 °C
ADC-resolutie: een N-bits omzetter verdeelt zijn volle-schaalbereik VFSR in 2ᴺ codes, van 0 tot 2ᴺ − 1. Eén stap is 1 LSB = VFSR/2ᴺ: de kleinste verandering die de omzetter kan tonen. Een afkappende ADC geeft de code ⌊Vin/LSB⌋; een afrondende ADC zit nooit meer dan ½ LSB van de ware waarde af, zijn kwantisatiefout. Elke extra bit halveert de LSB en voegt ongeveer 6 dB toe aan de ideale signaal-kwantisatieruisverhouding SQNR = 6,02·N + 1,76 dB voor een sinus met volle uitsturing. Om een resolutie r over een bereik te halen, kies je de kleinste N met 2ᴺ ≥ bereik/r.
Stapgrootte
1 LSB = 2500/256 = 9,766 mV
Gevoeligheid bij de ADC
20·20 = 400 mV/°C
Temperatuurresolutie
ΔTLSB = 9,766/400 = 0,02441 °C
Antwoord
ΔTLSB = 0,02441 °C
De ADC bereikt volle schaal bij 6,25 °C.
ExamProblems · examproblems.com/courses/digital-electronics